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1、卫星通信系统与技术卫星通信系统与技术陈振国陈振国杨鸿文杨鸿文郭文彬郭文彬编著编著最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)第第5章章信号传输与处理技术信号传输与处理技术5.1. 信源技术5.2. 数字信号调制5.3. 信道编码5.4. 差错控制最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)本节将简要回顾数字通信中信号处本节将简要回顾数字通信中信号处理的信源处理技术、信号调制技术理的信源处理技术、信号调制技术和信道编码技术，最后介绍信道差和信道编码技术，最后介绍信道差错控制技术。错控制技术。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1信源技术信源处理主要包括对信源的数字化、信源编码，信源编
2、码的目的是为了尽量减小信源的冗余度最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.1 5.1.1 信源及其编码信源及其编码1、语音信号及其编码语音信号及其编码话音信号的处理包括抽样、量化、编码。语音编码可以分成两大类，一类是波形编码，另一类是参量编码，即声码器。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1、语音信号及其编码语音信号及其编码1)语音质量语音质量2)波形编码波形编码3)LPC声码器声码器4)LPC声码器的改进声码器的改进5)音乐信号音乐信号最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2、静止图象信号静止图象信号 一幅数字图象可以看成是一个象素序列。当图象是黑白时，每个象素的值
3、只用灰度值表示就可以了，而当图象是彩色时，每个象素必须用三个值表示，通常为象素的RGB或YUV值。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)JPEG系统算法系统算法1.通过离散余弦变换减少图象数据的相关性。2.利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。3.对每个子块量化后的系数矩阵进行Z形扫描，将系数矩阵变换成“符号”序列。4.用Huffman变长编码对“符号”序列进行熵编码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)JPEG处理框图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.3.电视信号电视信号电视信号包括两部分：视频信号和音频信号。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(1)(1
4、)彩色电视信号彩色电视信号视频信号可以看成是图象序列。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)电视信号的功率谱密度最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(2)(2)视频编码技术视频编码技术视频编码的主要目的是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表征视频信息。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MEPG2视频编码框图视频编码框图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)预测编码的原理预测编码的原理最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.2 5.1.2 多媒体信号多媒体信号 多媒体信号集中了文字、语音、视频、图象等多种媒体数据信息。 多媒体的关键特性在于信
5、息载体的多样性、交互性和集成性。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.1.3 5.1.3 数据信号及压缩技术数据信号及压缩技术Huffman编码游程编码（RLE）Lampel-Ziv-Welch编码（LZW）最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2 5.2 数字信号调制数字信号调制数字信号的调制可分为幅度、相位、频率调制，在调制过程中，由于信道的带宽限制，还需要将调制信号进行适当滤波，以限制调制后信号的带宽。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)卫星通信系统框图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)对调制方式的要求对调制方式的要求1.要求调制后的信号波形具有恒
6、包络特性。2.调制技术最好具有高的功率有效性和频谱效率，即具有较好的抗干扰能力和频带利用率。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.1 5.2.1 相位调制相位调制 相位调制信号是用基带信号去调制载波的相位而形成的调制信号，相位调制信号具有恒包络的特点。卫星通信中常用的相位调制包括：BPSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)在单个码元时间内，相位调制信号可以表示成如下 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)BPSK、QPSK、8PSK星座图星座图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.1.二进制调相信号二进制调相信号B
7、PSK信号将二进制符号0、1分别对应载波的0、相位，可以表示成：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)对于为矩形的情况，即基带信号为双极性NRZ码时，BPSK信号的功率谱密度为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)BPSK信号的相干解调信号的相干解调最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.2.四进制调相信号四进制调相信号QPSK信号可表示成：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)QPSK调制与解调框图调制与解调框图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.3.偏移偏移QPSK信号信号OQPSK信号调制信号调制最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)4. 4.
8、 /4-DQPSK/4-DQPSK信号信号 /4-DQPSK调制采用相差为/4的两个QPSK星座映射，其调制符号前后相差最多为3/4。目最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)(1)(1)/4-DQPSK信号及调制信号及调制/4-DQPSK信号调制最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)/4-DQPSK星座图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)为了抑制已调信号的带外辐射，在/4-DQPSK同相和正交支路中分别加入一个具有线性相位特性和平方根升余弦幅频特性的低通滤波器最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)/4-DQPSK信号可以写成如下形式：最新卫星通信系统与技术(信号传输
9、与处理技术)(2)(2)/4-DQPSK信号的解调信号的解调/4-DQPSK差分解调最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.2频率调制频率调制1.多载波调制多载波调制设中心频率为 ，带宽为W的信道采用N个子载波的OFDM技术，每个子载波占用带宽 ，每个子载波上的符号速率为 ，码元间隔 ，其中 ，则子载波最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)设时间内各子载波上传输的符号为，是复包络信号，则OFDM信号可以表示成：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)等效基带信号为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)用DFT实现的OFDM系统框图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处
10、理技术)2.2.连续相位频移键控连续相位频移键控 CPFSK信号可以写成如下形式：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.3.最小移频键控最小移频键控 MSK信号可以写成如下形式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MSK信号的相位路径最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MSK信号也可以表示成正交调制形式，即最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MSK正交调制法最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)MSK正交解调法最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)4. 4. GMSKGMSK信号信号 GMSK调制最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)预调制滤波
11、器必须具备以下特点预调制滤波器必须具备以下特点a.带宽窄且具有陡峭的截止特性；b.冲激响应的过冲小；c.滤波器输出脉冲面积为一常量，该常量对应的一个码元内载波相移为。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)GMSK中采用的预滤波器为高斯低通滤波器，其冲激响应为：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.2.3各种调制的性能及功率谱各种调制的性能及功率谱QPSK等信号虽然具有窄的主瓣带宽，但带外衰减慢，而MSK具有较快的带外衰减，GMSK的带外衰减就更快了。 最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)调制信号功率谱密度最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3信道编码信道编码
12、 信道编码一般可以分成两大类，即分组码和卷积码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.1.基本知识基本知识1.域2.有限域GF3.有限域上的多项式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.2线性分组码线性分组码一、线性分组码的概念及性质一、线性分组码的概念及性质若码字，满足线性条件 则称该（n，k）码为线性分组码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、线性分组码的译码二、线性分组码的译码当信道传输出现差错后，则接收到的码字，接收端通过校验矩阵进行校验运算，即，S称为校验子，只与差错向量E有关，因此可以通过校验子S的值来检验传输是否出现差错或对差错进行纠正。最新
13、卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)三、汉明码及其设计三、汉明码及其设计汉明码是一类能纠正一个传输错误的线性分组码，若校验子的列数为n-k，则校验子可以对应错误向量E的 种情况，错误向量E中为1的位置表示传输出现差错。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)四、码距及其与纠错、检错能力的关系四、码距及其与纠错、检错能力的关系设为输入码字空间，为输出码字空间，（n，k）编码规则：IC为一一映射。若，表示码字第k个比特的值。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定义定义1、码字间的汉明距最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定义2、码字的码重码字中的比特1的个数最新卫星通信系统
14、与技术(信号传输与处理技术)定义定义3、最小码距、最小码距码空间中任意两个码字间最小的汉明距。即最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)检测e个错误的最小码距最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)纠t个错误的最小码距最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)纠t个检e的最小码距最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.3循环码循环码循环码是一类特殊的线性分组码，它的特点是具有循环性，即任何许用码字的循环移位仍然是一个许用码字。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、循环码的结构一、循环码的结构码字的码多项式如下：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)码字 的
15、循环移位i计为则最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定理一定理一GF（2）上的循环码（n，k）具有唯一的生成多项式 ，且 为该循环码中最低幂次的码字多项式，循环码中的其他码字可以表示成 。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定理二定理二（n，k）循环码的生成多项式是多项式的因子，且幂次为n-k。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、循环码的生成矩阵与监督矩阵二、循环码的生成矩阵与监督矩阵1.非系统码的生成矩阵2.系统码的生成矩阵最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)三、循环码的编码和译码三、循环码的编码和译码 1.系统循环码的编码器系统循环码的编码器系统循环码最
16、容易实现的方式是将信息码多项式升n-k次幂后除以生成多项式，然后将所得余式置于升幂后的信息多项式后。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.循环码的译码循环码的译码用于纠错目的的循环码译码器原理用于检错目的，然后用ARQ方式的循环码的原理最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)BCH码码BCH码是一种特殊的循环码，其特点是能够根据所需要的纠错能力构造循环码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、一、BCH码的生成多项式码的生成多项式BCH码的生成多项式,若含有以下个连续根：则由生成的（n,k）循环码称为BCH码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)通常，若含有一个
17、本原多项式，则码长为，我们称这类BCH码为本本原原BCH码码；若码长为的因子，则该码称为非本原非本原BCH码码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、二、BCH译码译码BCH的译码可以按照下面的步骤进行：的译码可以按照下面的步骤进行：1.根据接收到的r(x)计算校验子2.由校验子确定出错误图样E。3.根据错误图样E，得到译码结果C=R-E最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)RS码码RS码实际上也是循环码，但RS码是定义在非二进制域上的循环码，RS码是定义在多进制域上的BCH码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)RS码的生成多项式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理
18、技术)5.3.4 5.3.4 卷积码卷积码卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.1.卷积码的结构和描述卷积码的结构和描述卷积码结构示意图卷积码结构示意图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)卷积码的描述卷积码的描述描述卷积码的方法有两类：图解法和解析表示。图解法包括：树图、状态图、网格图。解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码结构）卷积码结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码树图
19、最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码状态图）卷积码状态图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码网格图）卷积码网格图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)生成多项式表示定义，则上述结构为，这里用8进制表示最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)定义定义最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)设输入信息的多项式为，则可以得到输出最终输出是 的相同次数项的排列。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.2.卷积码的传输函数卷积码的传输函数卷积码也是线性码，输出码的最小码重决定了卷积码的最小码距。计算卷积码的码距特性可以通过考察卷积码的
20、传输函数来得到，并且通过传输函数还可以估计卷积码的性能。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码状态图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（7，5）卷积码流图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)令表示a状态下的状态值，则最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)由上解得最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)系统传输函数为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.卷积码的译码及其性能卷积码的译码及其性能代数译码：代数译码：根据卷积码的本身编码结构进行译码，译码时不考虑信道的统计特性。概率译码：概率译码：这种译码在计算时要考虑信道的统计特性。最新卫
21、星通信系统与技术(信号传输与处理技术)1.1.概率译码的思路概率译码的思路最大似然序列译码硬判决软判决最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.Viterbi译码算法译码算法设卷积码的状态数为，在时刻k各状态的计算如下：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)3.卷积码的性能如果译码出现差错时，卷积译码器输出错误序列，当采用2PSK时，卷积码的性能界可以由下式计算：最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.5. 5.3.5. 级联码级联码根据香农信道编码定理，任何小于信道容量的数字通信，总可以找到一种编码方法，达到任意小误码的通信。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术
22、)1.Turbo码码Turbo码是并行的级联码，通过交织器将两个并行的卷积码支路联合起来。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)Turbo码编码器码编码器(7,5)最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)urbo码译码器最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2.串行级联码串行级联码串行级联码编码器结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)串行级联码译码器结构串行级联码译码器结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.3.6.5.3.6.编码调制编码调制1.TCM格形编码调制（TCM）是结合多进制调制与卷积编码的一种方法，它最早由Ungerboeck171819提出
23、，目前作为ITU的标准，已广泛应用于Modem的传输，最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、一、TCM编码编码TCM编码示意图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)8PSK星座划分最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)TCM编码器基本结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2/3卷积码格图最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)2/3卷积码结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、二、Turbo码级联高阶调制码级联高阶调制目前，结合Turbo码和高阶调制的方法有如下两种：一种是Robertson提出的基于TCM结构形式的TTCM；另一种是PT-TCM
24、结构。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)TTCM结构结构最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.4.差错控制差错控制5.4.1纯纯ARQ（PureARQ）为了适应不同的应用，纯ARQ方式也有多种形式，主要有等待重发方式、回溯N重发方式、选择重发方式。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、一、等待重发方式等待重发方式等待重发ARQ方式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)等待重发ARQ的系统流量为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、回溯二、回溯N重发方式重发方式回溯N重发ARQ方式最新卫星通信系统与技术(信
25、号传输与处理技术)回溯N重发的系统流量为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)三、选择重发方式三、选择重发方式选择重发选择重发ARQ方式方式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)选择重发的系统流量为最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)5.4.25.4.2混合混合ARQ方式方式在实际系统中，经常采用FEC与ARQ同时使用的情况，即对接收信息先进行FEC纠错，然后判断接收信息是否出错，如果出错，则通过ARQ的方式进行重发。这种方式通常称为混合混合ARQ方式方式。最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)一、递增冗余方式（一、递增冗余方式（IR）递增冗余HARQ方式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)二、重传合并（二、重传合并（RC）重传合并HARQ方式最新卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)
